燃煤鍋爐性能測試專用測點(diǎn)安裝的規(guī)范化研究

李廣偉

(中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，上海 200086)

燃煤鍋爐性能測試專用測點(diǎn)安裝的規(guī)范化研究

李廣偉

(中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，上海 200086)

火力發(fā)電機(jī)組鍋爐試驗(yàn)專用測點(diǎn)的規(guī)范安裝對性能試驗(yàn)的精確度具有重要的影響。總結(jié)了近年來火力發(fā)電機(jī)組節(jié)能減排工作中鍋爐性能測試的經(jīng)驗(yàn)，論述了影響機(jī)組性能試驗(yàn)的煙氣成分、灰渣樣、溫度、壓力、流量等測點(diǎn)的安裝規(guī)范以及提高測量精度的方法，使機(jī)組在性能試驗(yàn)中獲得較高品質(zhì)的數(shù)據(jù)，為機(jī)組的節(jié)能、環(huán)保工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

燃煤鍋爐；性能測試；測點(diǎn)；安裝；規(guī)范

0 引言

近年來，隨著我國節(jié)能減排力度的加大，各發(fā)電企業(yè)對發(fā)電機(jī)組性能檢測和指標(biāo)評估也越來越重視。現(xiàn)代大容量火電機(jī)組均采用了先進(jìn)的測量裝置，并通過先進(jìn)、縝密、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃惴ǎ@得了機(jī)組運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)[1]，但目前許多電廠的日常性能檢測(包括大修前后性能試驗(yàn))結(jié)果普遍存在可靠性低甚至錯(cuò)誤的現(xiàn)象，不能保證良好的重復(fù)性和較高的精度。其原因就是對性能測試沒有進(jìn)行很好的規(guī)劃(包括試驗(yàn)人員、試驗(yàn)單位、試驗(yàn)計(jì)劃和試驗(yàn)方法)，試驗(yàn)測點(diǎn)布置以及試驗(yàn)儀表安裝使用不規(guī)范，使各試驗(yàn)結(jié)果間缺乏可比性，最終導(dǎo)致性能試驗(yàn)失去了應(yīng)有的意義，變成了一種形式。

良好的重復(fù)性和高精度，除了通過可靠的儀表和正確的使用方法來保證外，還需要一個(gè)正確全面的測點(diǎn)安裝方案，如測點(diǎn)的數(shù)量、測點(diǎn)位置的選擇、合理使用高精度儀表等。合理的測點(diǎn)安裝方案還能有效降低檢測的費(fèi)用和難度，進(jìn)一步減少不確定因素的影響以及對專業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)的依賴，最大限度降低人為因素導(dǎo)致的測量不確定度[2](實(shí)際上這種不確定度占了整個(gè)不確定組成的很大一部分)，因此，機(jī)組日常檢測時(shí)必須對測點(diǎn)問題進(jìn)行規(guī)范。

1 煙氣成分和物性試驗(yàn)測點(diǎn)的安裝規(guī)范

1.1 省煤器出口測點(diǎn)布置方案

省煤器出口沿爐寬方向安裝測點(diǎn)的作用如下：(1)用于測量爐內(nèi)氧量和一氧化碳分布情況，以便進(jìn)行燃燒調(diào)整；(2)用于測量脫硝裝置入口流場和NOx濃度場，以便分析鍋爐運(yùn)行變化對脫硝裝置入口邊界條件的影響；(3)用于脫硝系統(tǒng)性能考核，避免稀釋風(fēng)對測量脫硝入口NOx質(zhì)量濃度的影響。

試驗(yàn)測點(diǎn)具體位置如圖1中測點(diǎn)位置1處所示，主要布置在省煤器出口至脫硝垂直煙道入口之間水平煙道上。安裝時(shí)，測孔應(yīng)遠(yuǎn)離噴氨口(4 m以上)且在噴氨口上游，建議盡量選擇靠近省煤器的變徑之前的直段煙道上。測點(diǎn)根據(jù)網(wǎng)格法原則布置，每側(cè)至少安裝8個(gè)測點(diǎn)，最外側(cè)兩點(diǎn)距離煙道邊緣20～30 cm為宜。測孔外徑90～100 mm，自由端須露出保溫層100 mm。測孔材質(zhì)建議使用不銹鋼，爐側(cè)所有煙氣測孔均遵循上述原則。目前，該位置安裝測點(diǎn)的電廠較少，因此很少設(shè)有平臺，考慮到便捷維護(hù)等問題，建議安裝測點(diǎn)的同時(shí)加裝平臺和護(hù)欄。

圖1 省煤器出口測點(diǎn)布置方案

1.2 脫硝噴氨點(diǎn)后測點(diǎn)布置方案

噴氨點(diǎn)后沿反應(yīng)器寬度方向布置測點(diǎn)，主要用于測量該位置煙氣流速和NOx濃度分布，從而評價(jià)布置在彎道處的整流裝置的整流效果及噴氨混合裝置對NOx/NH3的混合效果。

試驗(yàn)測點(diǎn)主要布置在噴氨以后的脫硝垂直煙道內(nèi)，具體位置如圖1中測點(diǎn)位置2處所示。安裝前，首先確定該位置空間是否便于測量操作，特別要關(guān)

注平臺是否便于試驗(yàn)人員操作，垂直煙道與脫硝反應(yīng)器之間距離是否便于取樣槍操作。安裝時(shí)，測點(diǎn)位置依據(jù)網(wǎng)格法原則確定，每側(cè)至少安裝8個(gè)測點(diǎn)。

1.3 催化劑層間測點(diǎn)布置方案

各催化劑層間測點(diǎn)的作用：(1)用于測量各催化劑層間的流速分布，以便分析催化劑層磨損、積灰及氨逃逸情況；(2)用于測量各催化劑層進(jìn)出口的NOx濃度分布，以便分析催化劑層不同區(qū)域催化劑活性。

催化劑層間測點(diǎn)安裝可以沿著反應(yīng)器寬度方向，也可以沿著反應(yīng)器深度方向，具體安裝方向要視現(xiàn)場場地空間情況，以便于測量為原則進(jìn)行選擇。下面以沿深度方向布置為例說明測點(diǎn)具體安裝位置，如圖2所示。安裝時(shí)，靠近反應(yīng)器兩側(cè)的測孔盡量靠近反應(yīng)器壁面，去除保溫層后距壁面20～30 cm為宜，其余測孔均勻分布，間距1.0～1.5 m為宜。

圖2 催化劑層間測點(diǎn)安裝示意

1.4 脫硝出口(空氣預(yù)熱器入口)測點(diǎn)布置方案

脫硝出口測點(diǎn)的作用：(1)用于測量脫硝出口流場和NOx濃度場，以便進(jìn)行噴氨格柵的優(yōu)化調(diào)整；(2)用于測量空氣預(yù)熱器(以下簡稱空預(yù)器)入口氧量和入口煙溫分布情況(測量時(shí)，溫度測點(diǎn)應(yīng)與煙氣取樣點(diǎn)位置盡可能一致)；(3)用于測量空預(yù)器入口靜壓、流量等。

試驗(yàn)測點(diǎn)主要布置在脫硝出口至空預(yù)器入口之間水平煙道上，如圖3所示。安裝時(shí)，測孔盡量靠近空預(yù)器，測點(diǎn)布置根據(jù)網(wǎng)格法原則設(shè)定，每側(cè)至少安裝8個(gè)測點(diǎn)。測孔外徑90～100 mm，自由端露出保溫層100 mm。

圖3 脫硝出口測點(diǎn)安裝示意

1.5 空預(yù)器出口測點(diǎn)布置方案

空預(yù)器出口測點(diǎn)的作用：(1)用于測量空預(yù)器出口氧量分布情況，結(jié)合空預(yù)器入口氧量數(shù)據(jù)，了解空預(yù)器的漏風(fēng)情況(測量時(shí)，應(yīng)同時(shí)用同種類型的分析儀測量相應(yīng)段煙道的進(jìn)、出口煙氣成分并進(jìn)行計(jì)算)；(2)用于測量排煙溫度分布情況；(3)用于測量空預(yù)器出口靜壓、流量等。

如圖4所示，在空預(yù)器出口位置1處，由于空預(yù)器漏風(fēng)、煙氣分層、煙氣溫度場不穩(wěn)定等原因[3]，測點(diǎn)必須在空預(yù)器煙道第1個(gè)彎頭后面。位置2，3在轉(zhuǎn)彎煙道后，流速分布不均勻，氧量分布也不均勻，為了保證測試的準(zhǔn)確性，需要增加取樣點(diǎn)的數(shù)量，將流速和煙氣成分一并進(jìn)行測量，采用流速加權(quán)平均值。因此在保證煙道無漏風(fēng)和測量空間足夠的前提下，建議試驗(yàn)測點(diǎn)安裝在距離空預(yù)器出口較遠(yuǎn)的水平煙道上，盡量在靠近除塵器入口的變徑之前的直段上，即位置4。測點(diǎn)布置根據(jù)網(wǎng)格法原則設(shè)定，每側(cè)至少安裝8個(gè)測點(diǎn)。測孔外徑90～100 mm，自由端露出保溫層100 mm。

圖4 空預(yù)器出口測點(diǎn)安裝示意

2 煤、灰、渣取樣測點(diǎn)的安裝規(guī)范

煤的檢驗(yàn)誤差由采樣、制樣和化驗(yàn)3部分組成，其中采樣誤差最大，約占總誤差的80%，因此正確的采樣是電廠燃料分析中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是獲得可靠分析結(jié)果的必要前提[4]。

推薦在原煤倉出口或給煤機(jī)入口處進(jìn)行采樣，大部分電廠的原煤取樣測孔都設(shè)置在原煤倉錐體下部至給煤機(jī)的落煤管上，個(gè)別電廠在原煤倉上設(shè)有專用原煤取樣孔。對于沒有設(shè)置原煤取樣測孔的電廠，為滿足試驗(yàn)的要求，可以考慮將給煤機(jī)上蓋檢查口作為臨時(shí)的原煤取樣孔，但是取樣過程中由于落煤管內(nèi)壓力較大，原煤流出時(shí)呈噴射狀，不僅會造成

李廣偉：燃煤鍋爐性能測試專用測點(diǎn)安裝的規(guī)范化研究

環(huán)境污染和浪費(fèi)，而且細(xì)小的原煤顆粒因速度較快，容易對試驗(yàn)人員造成沖擊，危害健康，建議電廠加裝專用的原煤取樣測孔。

原煤取樣前，務(wù)必將取樣孔中的積煤清理干凈，以取得流動的原煤作為取樣的標(biāo)準(zhǔn)。原煤采樣有效時(shí)間應(yīng)與鍋爐試驗(yàn)工況時(shí)間相等，但采樣開始和結(jié)束的時(shí)間應(yīng)視燃料從采樣點(diǎn)至送入爐膛所需的時(shí)間而適當(dāng)提前。建議直吹式制粉系統(tǒng)第1次取樣在正式試驗(yàn)開始前0.5 h，中儲式制粉系統(tǒng)提前2.0 h取樣。整個(gè)采樣期間應(yīng)均隔時(shí)間采取樣品，建議每臺磨煤機(jī)每30 min采樣1次，每次采樣約2 kg，置于密封容器內(nèi)。為了提高采樣效率，當(dāng)煤質(zhì)比較穩(wěn)定時(shí)，可適當(dāng)降低采樣頻率；當(dāng)不同煤倉的煤質(zhì)比較單一時(shí)，可適當(dāng)減少磨煤機(jī)采樣臺數(shù)。一次試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)磨煤機(jī)的出力將全部采樣按不同比例加權(quán)混樣，充分混合后縮分為3份，每份2 kg，其中1份供試驗(yàn)單位進(jìn)行工業(yè)分析、發(fā)熱量測定，并委托有資質(zhì)單位(至少要有省級中國計(jì)量認(rèn)證(CMA)資質(zhì))進(jìn)行煤質(zhì)化驗(yàn)，1份供電廠進(jìn)行工業(yè)分析和發(fā)熱量測定，1份留試驗(yàn)單位備用。

目前，電廠普遍采用的飛灰取樣器安裝在空預(yù)器出口到電除塵入口的煙道，采用撞擊式取灰方式。由于在灰粒粒度范圍內(nèi)灰中含碳量的分布不均勻，導(dǎo)致飛灰可燃物含量變化較大。因此，建議在電除塵第1電場下方的放灰口取灰，取灰前必須將取樣管中的陳灰排空，每次取灰量建議不小于2 kg。為提高飛灰可燃物測量的準(zhǔn)確性，試驗(yàn)期間須在空氣預(yù)熱器出口測點(diǎn)利用飛灰等速取樣裝置取樣，可以利用等速取樣標(biāo)定后的撞擊取樣代替等速取樣。

鍋爐大渣的主要成分是水冷壁結(jié)焦后脫落的焦塊、噴燃器分離出來的未燃盡煤粉顆粒和燃燒后落入冷灰斗的較大灰粒等。由于爐膛渣池很大且灰渣分布極不均勻，為了獲得有代表性的樣品，需要大量取樣，每次取樣量一般不應(yīng)少于2 kg，并要求對每個(gè)樣品進(jìn)行多次分析。

3 制粉系統(tǒng)取樣測點(diǎn)的安裝規(guī)范

針對中間儲倉式制粉系統(tǒng)，一般可在細(xì)粉分離器下粉管道上用旋轉(zhuǎn)式活動取樣管采樣。

針對直吹式制粉系統(tǒng)，多數(shù)電廠現(xiàn)有煤粉取樣裝置均為伸縮式固定煤粉取樣器，存在經(jīng)常取不到樣、取樣精度差等情況。根據(jù)DL/T 467—2004《電站磨煤機(jī)及制粉系統(tǒng)性能試驗(yàn)》要求，煤粉取樣需采用圓周等截面多點(diǎn)采樣方式。

AKOMA2000是由德國e.on工程公司開發(fā)的燃煤電廠煤粉等速取樣裝置，采用圓周等截面64點(diǎn)等速采樣方式，能滿足制粉系統(tǒng)常規(guī)性能試驗(yàn)和優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)的要求，能檢測煤粉細(xì)度、一次風(fēng)速度、煤粉濃度和均勻性，試驗(yàn)結(jié)果更精確。因此建議符合條件的電廠在各粉管上加裝AKOMA專用取樣密封件，該專用密封件設(shè)計(jì)有壓縮空氣密封風(fēng)接口，可以有效解決制粉系統(tǒng)優(yōu)化試驗(yàn)時(shí)煤粉正壓噴濺的問題。

煤粉取樣測點(diǎn)的安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離彎頭、可調(diào)縮孔等干擾流場均勻性的設(shè)備(直管段要求前面長度為5倍當(dāng)量直徑，后面長度為3倍當(dāng)量直徑)，且需要有一定的儀器操作空間；此外，該煤粉取樣測點(diǎn)還可作為冷熱態(tài)一次風(fēng)調(diào)平和標(biāo)定試驗(yàn)測點(diǎn)使用。

4 風(fēng)機(jī)試驗(yàn)測點(diǎn)的安裝規(guī)范

風(fēng)機(jī)設(shè)置流體流量試驗(yàn)測點(diǎn)時(shí)，應(yīng)關(guān)注聯(lián)絡(luò)母管，避免聯(lián)絡(luò)母管對流量的影響。風(fēng)機(jī)流量測點(diǎn)盡量安裝在風(fēng)機(jī)入口，處于負(fù)壓環(huán)境，方便測量；當(dāng)送風(fēng)機(jī)和一次風(fēng)機(jī)入口無法安裝測點(diǎn)、只能安裝在出口風(fēng)道時(shí)，測量時(shí)務(wù)必注意安全。

設(shè)置風(fēng)機(jī)靜壓測點(diǎn)時(shí)通常在煙、風(fēng)道壁面上直接開孔，建議盡可能在內(nèi)表面平整的壁面上垂直開孔，孔徑宜為2～3 mm，孔邊緣不應(yīng)有毛刺和倒角，還應(yīng)采取適當(dāng)措施嚴(yán)防測壓孔堵塞。風(fēng)機(jī)進(jìn)出口靜壓測點(diǎn)不能遠(yuǎn)離風(fēng)機(jī)進(jìn)出口截面，應(yīng)盡量安在風(fēng)機(jī)進(jìn)出口膨脹節(jié)前后，煙(風(fēng))道直段上，附近不應(yīng)存在擋板、彎頭等阻力部件及渦流區(qū)。在風(fēng)機(jī)進(jìn)出口截面上至少安裝3個(gè)測點(diǎn)(方形或矩形截面至少4個(gè)點(diǎn))，分別測量后求平均值。

5 給水流量試驗(yàn)測點(diǎn)的安裝規(guī)范

給水流量是確定機(jī)組一些重要性能指標(biāo)的主要參數(shù)，給水流量的準(zhǔn)確測量對常規(guī)火電機(jī)組的性能檢測具有重要的意義。較之于采用凝結(jié)水流量作為性能監(jiān)測的基準(zhǔn)流量而言，直接測量進(jìn)入省煤器的給水流量，可以避免加熱器管子可能發(fā)生的泄漏、給水泵密封水的泄漏、除氧器水位的變化對給水流量的影響。提高給水流量的測量精度，可在極大降低機(jī)組性能試驗(yàn)難度、減少高精度儀表使用數(shù)量的前提下，提高機(jī)組性能試驗(yàn)的精度和重復(fù)性。

受煤量計(jì)量方法的限制，電廠入爐煤量的統(tǒng)計(jì)一般誤差較大，不利于節(jié)能管理。如果以給水流量為基準(zhǔn)計(jì)算鍋爐吸熱量并對該吸熱量進(jìn)行累計(jì)，可將每日或每月的吸熱量累計(jì)值換算為標(biāo)煤量，該量的精度將遠(yuǎn)高于對煤量的直接計(jì)量。

現(xiàn)階段國內(nèi)能夠精確測量給水流量的裝置為低β值喉部取壓噴嘴給水流量測量裝置，因此，建議在省煤器入口安裝美國機(jī)械工程師學(xué)會(ASME)推薦

的低β值喉部取壓噴嘴，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。由于該噴嘴安裝于省煤器入口的給水管道上，壓力較高，因此必須采用焊接結(jié)構(gòu)，這為噴嘴的定期校驗(yàn)帶來了困難，為此ASME建議在噴嘴下游開一個(gè)觀察孔，以便對噴嘴進(jìn)行定期檢查。

6 水冷壁壁面氛圍測點(diǎn)的安裝規(guī)范

隨著環(huán)保部門對NOx排放要求的提高以及鍋爐優(yōu)化運(yùn)行的需要，鍋爐燃燒趨向更低的氧量水平，鍋爐因還原性氣氛導(dǎo)致的結(jié)渣和高溫腐蝕問題將日益顯著[5]，因此，鍋爐貼壁還原性氣氛的測量將成為鍋爐燃燒調(diào)整的一個(gè)重要手段。

測量爐膛貼壁還原性氣氛的方法是在水冷壁四周按要求布置一定數(shù)量的小孔，一般在膜式水冷壁管之間的鰭片上開孔，取樣孔徑可根據(jù)相鄰水冷壁管之間的距離進(jìn)行調(diào)整。水冷壁四周煙氣氣氛測點(diǎn)的布置位置和數(shù)量可根據(jù)鍋爐的實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行選擇，圖6給出了比較典型的某660 MW超臨界鍋爐的近壁氣氛測點(diǎn)布置情況。

(1)前后墻上第1層燃燒器標(biāo)高為20.36 m，第2層燃燒器標(biāo)高為24.89 m，第3層燃燒器標(biāo)高為29.42 m，燃盡風(fēng)層標(biāo)高為35.40 m。

(2)測點(diǎn)分4層分別對稱布置于鍋爐左右兩側(cè)墻。第1層測點(diǎn)標(biāo)高為21～22 m(處于第1層和第2層燃燒器標(biāo)高之間)；第2層測點(diǎn)標(biāo)高為27～28 m(處于第2層和第3層燃燒器標(biāo)高之間)；第3層測點(diǎn)標(biāo)高為31～33 m(處于第3層燃燒器與側(cè)燃盡風(fēng)標(biāo)高之間)；第4層測點(diǎn)標(biāo)高為38～39 m(處于燃盡風(fēng)上部)。

(3)每層布置5個(gè)測點(diǎn)。側(cè)墻中心位置布置1個(gè)，中心點(diǎn)左右對稱各布置2個(gè)，對稱距離為3 m。

(4)在水冷壁鰭片上打孔得到測孔，測孔直徑為4～5 mm；采用不銹鋼管(管徑6 mm左右)連接至保溫層外部，測量自由端伸出保溫層外部100 mm。

圖5 焊接式給水流量噴嘴結(jié)構(gòu)示意

圖6 鍋爐側(cè)墻水冷壁壁面氛圍測點(diǎn)位置示意

7 結(jié)束語

對機(jī)組鍋爐側(cè)重要測點(diǎn)進(jìn)行規(guī)范安裝，能夠提高鍋爐主要運(yùn)行參數(shù)的精度，使發(fā)電企業(yè)更為準(zhǔn)確地掌握鍋爐的運(yùn)行狀況，為鍋爐的運(yùn)行、檢修、技改等提供了重要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為提升發(fā)電企業(yè)節(jié)能環(huán)保工作質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。

[1]向麗暉.燃煤鍋爐性能監(jiān)測元件選型及安裝的規(guī)范化研究[J].鍋爐技術(shù),2014,45(5)：29-31，57.

[2]鍋爐性能試驗(yàn)規(guī)程：ASME PTC 4—2008[S].

[3]李悅，楊月明，劉振軍，等.1 025 t/h鍋爐在線氧量測點(diǎn)位置分析與改進(jìn)[J].華北電力技術(shù),2003(2)：37-38,41.

[4]于文濤，范志斌，武玉霞，等.淺談提高入廠煤人工采樣精密度的方案及改進(jìn)[J].應(yīng)用能源技術(shù),2012(3)：5-7.

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(本文責(zé)編：劉芳)

2017-02-14；

2017-04-13

TK 229.6

B

1674-1951(2017)04-0011-04

李廣偉(1983—)，男，河北衡水人，高級工程師，工學(xué)碩士，從事機(jī)組性能測試、系統(tǒng)優(yōu)化及電站調(diào)試技術(shù)研究(E-mail:82564060@qq.com)。